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计算机组成原理课程设计微程序报告

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2020年4月19日
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微程序控制器的设计与实现

目录
1 设计目的 3

2 设计内容 3

3 具体要求 3

4 设计方案 3

5 调试过程……………………………………………..11

6 心得体会...............................12
微程序控制器的设计与实现
一、 设计目的
1) 巩固和深刻理解“计算机组成原理”课程所讲解的原理，加深对计算机各模块协同工作的认识
2) 掌握微程序设计的思想和具体流程、操作方法。
3) 培养学生独立工作和创新思维的能力，取得设计与调试的实践经验。
4) 尝试利用编程实现微程序指令的识别和解释的工作流程
二、 设计内容
按照要求设计一指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
三、 设计要求
1) 仔细复习所学过的理论知识，掌握微程序设计的思想，并根据掌握的理论写出要设计的指令系统的微程序流程。指令系统至少要包括六条指令，具有上述功能和寻址方式。
2) 根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微程序
3) 将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给出测试思路和具体程序段
4) 尝试用C或者Java语言实现所设计的指令系统的加载、识别和解释功能。
5) 撰写课程设计报告。
四、 设计方案
1) 设计思路
按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。从而能够想到如下指令：24位控制位分别介绍如下：
XRD ： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
EMWR： 程序存储器EM写信号。
EMRD： 程序存储器EM读信号。
PCOE： 将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。
EMEN： 将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
IREN： 将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。
EINT： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP： PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
MAREN：将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。
MAROE：将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。
OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
STEN： 将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
RRD： 读寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。
RWR： 写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。
CN： 决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
FEN： 将标志位存入ALU内部的标志寄存器。

X2：X1：X0: X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。具体如下：
X2 X1 X0
输出寄存器
0 0 0
IN_OE 外部输入门
0 0 1
IA_OE 中断向量
0 1 0
ST_OE 堆栈寄存器
0 1 1
PC_OE PC寄存器
1 0 0
D_OE 直通门
1 0 1
R_OE 右移门
1 1 0
L_OE 左移门
1 1 1
没有输出

WEN： 将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。
AEN： 将数据总线DBUS的值打入累加器A中。
S2：S1：S0: S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。
具体如下：
S2 S1 S0
功能
0 0 0
A+W 加
0 0 1
A-W 减
0 1 0
A|W 或
0 1 1
A&W 与
1 0 0
A+W+C 带进位加
1 0 1
A-W-C 带进位减
1 1 0
~A A取反
1 1 1
A 输出A

模型机的寻址方式分五种：
累加器寻址： 操作数为累加器A，例如“CPL A”是将累加器A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A，例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。
寄存器寻址： 参与运算的数据在R0-R3的寄存器中，例如 “ADD A，R0”指令是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。
寄存器间接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在寄存器R0-R3中，例如 “MOV A，@R1”指令是将寄存器R1的值做为地址，把存储器EM中该地址的内容送入累加器A中。
存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。例如“AND A，40H”指令是将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。
立即数寻址： 参与运算的数据为指令的操作数。例如 “SUB A，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。
2) 程序清单
MOV A,#01H 立即数寻址，传送指令，将01h传送给累加器a
LOOP:
MOV R0,#01H 立即数寻址，将01h传送给r0
ADD A,R0 寄存器寻址，加法操作，将r0的值与a相加，结果存入a中
SUB A,@R0 寄存器间接寻址，减法将R0的值当作是内存地址，再将此地址的值与A相减，最后放入A。
ADD A,01H 存储器直接寻址，寻找出01地址中的值，
用A和此地址的值相加，最后放入A
CPL A 累加器寻址，将a的值取反
OUT
JMP LOOP //无条件跳转，跳转到LOOP
3) 指令流程图
MOV A,#01H
PC—>MAR
(PC+1—>PC)
MAR—>EM
EM—>IR 、uPC

EM—>A
（PC+1—>PC）

PC—>MAR
(PC+1—>PC)

MOV R0,#01H

MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

EM—>R0
（PC+1—>PC）

PC—>MAR
(PC+1—>PC)
MAR—>EM
EM—>IR 、uPC

W+A—>A
（PC+1—>PC）

R0—>W
ADD A,R0

PC—>MAR
(PC+1—>PC)

SUB A,@R0
MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

R0—>MAR

MAR—>EM

A-W—>A
（PC+1—>PC）

EM—>W

A-W—>A
（PC+1—>PC）

PC—>MAR
(PC+1—>PC)

ADD,02H

MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

EM—>MAR

02H—>EM

EM—>W

A&W—>A
（PC+1—>PC）

CPＬＡ
PC—>MAR
(PC+1—>PC)

MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

A—>~A
（PC+1—>PC）

OUT
PC—>MAR
(PC+1—>PC)

MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

A—>OUT
（PC+1—>PC）

JMP LOOP

PC—>MAR
(PC+1—>PC)

MAR—>EM

EM—>IR 、uPC

IR—>PC
（PC+1—>PC）

五、 调试过程
1) 指令系统设计
本指令系统涉及8条指令，分别完成数据传送，进行加、减和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
具体指令设计如下：

2) 微程序设计
将窗口切换到“uM微程序”窗口，设计每条指令的微程序。
每个程序开始要执行的第一条微指令应是取指操作，因为程序复位后，PC和uPC的值都为0，因此微程序的0地址处就是程序执行的第一条取指的微指令。取指操作要做的工作是从程序存储器EM中读出下条将要执行的指令，并将指令的机器码存入指令寄存器IR和微程序计数器uPC中，读出下条操作的微指令。取指设计如下（CBFFFF）：

MOV A，#01H 这条指令是把立即数1从存储器EM中取出，放入累加器A中。微程序设计如下（C7FFF7）：

MOV R0,#01H这条指令是把立即数1从存储器EM中取出，放入寄存器R0中。微程序设计如下(C7FBFF);

ADD A,R0这条指令是寄存器寻址，将R0的值取出放入W中与A相加，再将结果放入A。它由三个指令周期。微程序设计如下：
第一步，把R0 的值放入累加器W中

第二步，从D中读出A的值并与W相加，结果放到A中

SUB A,@R0 这条指令是寄存器间接寻址，将以R0为地址的数值取出放入W中与A相减，再将结果放入A。它由四个指令周期。微程序设计如下：
第一步，把R0 的值放入地址寄存器MAR中

第二步
从MAR中读出以R0为地址的值放入累加器W中

第三步 将A的值与W值相减

CPL A 将A的值取反在存入A中

OUT 将累加器的值送到输出端并输出：

JMP LOOP

六、 心得体会
这次微程序程序设计主要是要求我们设计一个指令系统，其中包含加，减，数据传送和无条件转移指令操作，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。在经过设计的过程中，大概理解了各种指令操作和寻址方式。学会了能灵活理解她们之间的关系，包括像操作与寻址方式之间的搭配等。
在这一周半的课程设计中，经过指令系统中微程序的设计，了解了24位指令字的具体含义，经过对各位的选择来确定所选择的操作，这样既方便理解，也方便操作。
在这次课程设计中，遇到了很多问题，像对各位数所代表的具体含义依然不是十分清楚，在设计微程序的时候，对每一条指令所用的cpu周期不能灵活掌握，希望在以后的学习中能够对其进行更加深入的理解。